Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:164

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung để hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp và ứng dụng nghiên cứu cho trường hợp cụ thể để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 hạ cọc ván thép loại NSP-IIw vào nền đất nhiều lớp tại công trình cầu Đồng Quang, Ba Vì, Hà Nội.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------------------------------- VŨ VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------------------------------- VŨ VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ XÂY DỰNG, NÂNG CHUYỂN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ : 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS. TS. THÁI HÀ PHI 2: PGS. TS. NGUYỄN ĐĂNG ĐIỆM HÀ NỘI - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Những nội dung tham khảo được đưa vào trong luận án đều được trích dẫn đầy đủ. Người cam đoan Vũ Văn Trung
ii LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến hai người thầy là PGS. TS. Thái Hà Phi và PGS.TS. Nguyễn Đăng Điệm thuộc bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo thuộc Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ, Khoa Cơ khí, Trường đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi cũng xin chân thành cám ơn các thầy của học viện Kỹ thuật Quân sự, trường Đại học Xây dựng, học viện Nông nghiệp Việt Nam và các thầy trong trường Đại học Giao thông Vận tải đã trực tiếp đọc và góp ý vào các nội dung của luận án. Xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí, Phòng thí nghiệm Công trình, Công ty CP Cơ khí Quang Trung, Công ty CP XD CTGT 473 - Tập đoàn CIENCO4,… đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ và đạt kết quả mong muốn. Xin chân thành cám ơn các thầy giáo, các chuyên gia, các nhà khoa học, các bạn bè và đồng nghiệp đã đóng góp rất nhiều ý kiến quý báu và giúp tôi vượt qua mọi khó khan để hoàn thành luận án này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã tạo mọi điều kiện và động viên tôi để hoàn thành luận án.
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” .................................................................................... 5 1.1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP”...................................................................................... 5 1.1.1. Giới thiệu về búa rung, cọc ván thép và nền đất nhiều lớp..................... 5 1.1.2. Các công trình nghiên cứu về quá trình thi công cọc bằng búa rung đã được công bố ................................................................................................... 11 1.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN LỰC CẢN ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT TÁC DỤNG LÊN CỌC VÁN THÉP TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC BẰNG BÚA RUNG ...................................... 24 1.2.1. Phân tích quá trình hạ cọc và cơ chế tương tác giữa đất với cọc trong bài toán hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp bằng lực rung động .............. 24 1.2.2. Lựa chọn mô hình đất và phương trình toán xác định lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép khi chịu tải trọng rung động .............................. 29 1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP ........................................................................................................ 33 1.3.1. Lý thuyết tối ưu trong thiết kế kỹ thuật ................................................ 33 1.3.2. Lựa chọn phương pháp xác định nghiệm tối ưu ................................... 35 1.4. XÂY DỰNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................. 39 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.................................................................................... 40 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” ................................................................................................................... 42 2.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ “BÚA RUNG - CỌC VÁN THÉP - NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP” ...................................................................... 42
iv 2.1.1. Xác định các thông số của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” .................................................................................................................. 42 2.1.2. Xây dựng mô hình toán cho hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Nền đất nhiều lớp” ........................................................................................................ 50 2.2. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH ....... 55 2.2.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán .................................................................... 55 2.2.2. Xây dựng chương trình tính .................................................................. 56 2.3. BÀI TOÁN HẠ CỌC VÁN THÉP NSP-IIw BẰNG BÚA RUNG VH- QTUTC70 VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP TẠI CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG QUANG............................................................................................................... 57 2.3.1. Xác định các thông số đầu vào của bài toán ......................................... 57 2.3.2. Phân tích kết quả ................................................................................... 62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.................................................................................... 69 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG KHI HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP ......... 70 3.1. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG HẠ CỌC VÁN THÉP VÀO NỀN ĐẤT NHIỀU LỚP ..................................................................................................................... 70 3.1.1. Xây dựng bài toán ................................................................................. 70 3.1.2. Xác định chi phí năng lượng của búa rung trong quá trình hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp .............................................................................. 71 3.1.3. Xây dựng mô hình toán xác định các thông số hợp lý của búa rung .... 73 3.1.4. Xây dựng thuật toán và chương trình tính các thông số hợp lý ............ 75 3.2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BÚA RUNG VH-QTUTC70 KHI HẠ CỌC VÁN THÉP NSP-IIW VÀO CÁC LOẠI ĐẤT TẠI TRỤ T2 VÀ T3 CẦU ĐỒNG QUANG ...................................................... 84 3.2.1. Bộ số liệu đầu vào ................................................................................. 84
v 3.2.2. Kết quả tính toán các thông số hợp lý ................................................... 84 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.................................................................................... 92 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH HẠ CỌC VÁN THÉP TẠI CÔNG TRÌNH THI CÔNG CẦU ĐỒNG QUANG (BA VÌ, HÀ NỘI) BẰNG BÚA RUNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO ...................................................................... 93 4.1. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ CÁC THÔNG SỐ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................................................................................. 93 4.1.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm........................................................ 93 4.1.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ...................................................... 94 4.1.3. Xác định các thông số cần đo đạc thực nghiệm .................................... 95 4.2. CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THỰC NGHIỆM ................................................ 96 4.2.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm............................................................ 96 4.2.2. Xây dựng phương pháp đo .................................................................... 98 4.2.3. Quy trình thực nghiệm ........................................................................ 101 4.2.4. Công tác chuẩn bị thực nghiệm........................................................... 102 4.2.5. Hiệu chuẩn thiết bị đo ......................................................................... 105 4.3. CÔNG TÁC ĐO HIỆN TRƯỜNG ............................................................ 105 4.3.1. Trình tự thực hiện quá trình thực nghiệm tại công trường ................. 105 4.3.2. Tổ chức đo đạc thực nghiệm tại công trường ..................................... 107 4.4. XỬ LÝ SỐ LIỆU ....................................................................................... 109 4.4.1. Cơ sở lý thuyết xử lý số liệu ............................................................... 109 4.4.2. Xử lý kết quả đo .................................................................................. 112 4.5. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................... 116 4.5.1. Kết quả tốc độ hạ cọc và độ dịch chuyển của cọc ván thép ................ 116 4.5.2. Kết quả gia tốc, vận tốc và chuyển vị của cọc ván thép và khung treo búa rung ......................................................................................................... 121
vi 4.5.3. Kết quả lực cản của nền đất tác dụng lên cọc ..................................... 124 4.5.4. Kết quả tính toán hệ số hóa lỏng (đất cát) và hệ số chảy lỏng của đất (đất sét) .......................................................................................................... 126 4.6. SO SÁNH ĐÁNH GIÁ GIỮA KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 129 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .............................................................................................. 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................... 136 1. KẾT LUẬN ................................................................................................... 136 2. KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................ 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................... 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 139
vii DANH MỤC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải Đơn vị At Diện tích mũi cọc m2 A Diện tích mặt cắt ngang cọc ván thép m2 Ac Biên độ rung động của búa rung - cọc ván thép m a, ai Gia tốc dao động của cọc m/s2 ae Độ chênh gia tốc m/s2 amin Gia tốc tối thiểu để hạ được cọc m/s2 a ci Gia tốc hướng tâm của một bánh lệch tâm m/s2 C Lực dính kết của đất kN/m2 cb Vận tốc truyền sóng trong cọc ván thép m/s Ci Chuỗi nhiễm sắc thể của thế hệ con thứ i - CFW(z) Hàm chi phí năng lượng (W) theo chiều sâu hạ cọc (z) kW/m D Hằng số đột biến Dpl Đường kính pulley đo độ dịch chuyển của cọc m E Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo cọc ván thép kN/m2 El Mô đun đàn hồi của vật liệu làm lá điện trở kN/m2 e0 Hệ số lỗ rỗng f Tần số lực rung động của búa rung Hz F0 Lực tĩnh tác dụng lên hệ hay tổng trọng lượng toàn búa rung kN Fd Lực động lý thuyết do búa rung tạo ra kN Fs Lực đàn hồi của hệ lò xo kN FR Tỷ lệ sức kháng thu được từ kết quả thí nghiệm CPT % fs Sức kháng thành đơn vị theo thí nghiệm CPT kN/m2 g Gia tốc trọng trường m/s2 GF Hê số lá điện trở Gmax Mô đun cắt biến dạng nhỏ của đất kN/m2 Gs Mô đun cắt của đất kN/m2 gcvt Trọng lượng một mét dài của cọc ván thép kN/m hk Chiều dày lớp đất thứ k m hti Chiều sâu cọc dịch chuyển vào lớp đất thứ i m k Kích thước quần thể - KAR-1F Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn của thiết bị và đầu đo - KAR-2F Hệ số thiết lập chế độ đo chuẩn của thiết bị và đầu đo -
viii L, lcọc Chiều dài cọc ván thép m l6 Chiều dài cọc ván thép từ mũi cọc đến mặt cắt 6-6 m m Số lượng bánh lệch tâm - Số chu kỳ dẫn động búa rung trong khoảng thời gian t để hạ cọc đến mck - chiều sâu cho trước mc Khối lượng cọc ván thép kg md Khối lượng phần động của hệ kg mei Khối lượng của khối lêch tâm thứ i, kg m1 Khối lượng khung treo của búa kg m2 Khối lượng phần rung của búa (gồm cả má kẹp cọc) kg Me Mô men lệch tâm kg.m mtong Tổng khối lượng của cả hệ kg n Số vòng quay của bánh lệch tâm trong một phút vòng/phút Ip Chỉ số dẻo của đất % Jcvt Mô men quán tính cọc ván m4 Ni Nội lực của cọc ván thép tại mặt cắt i kN N6k Nội lực tại mặt cắt 6-6 của cọc thí nghiệm tại lớp đất thứ k kN Pkt Lực rung động do búa rung tạo ra kN Pkt0 Biên độ lực rung động do búa rung tạo ra kN Pi Chuỗi nhiễm sắc thể bố mẹ thứ i - Pqt1 Lực quán tính của khung treo kN Pqt2 Lực quán tính của thân búa - cọc ván thép kN p(…) Véc tơ các thông số thiết kế - pl Véc tơ giới hạn dưới của các thông số thiết kế p - pu Véc tơ giới hạn trên của các thông số thiết kế p - qc Sức kháng mũi côn đơn vị theo thí nghiệm CPT kN/m2 qd Sức kháng động đơn vị tại mũi cọc kN/m2 ql Sức kháng hóa lỏng của đất tại mũi cọc kN/m2 qs Sức kháng tĩnh đơn vị tại mũi cọc kN/m2 qdi Sức kháng động mũi cọc đơn vị của lớp đất cát thứ i kN/m2 qsi Sức kháng tĩnh đơn vị tại mũi cọc của lớp đất thứ i kN/m2 qli Sức kháng hóa lỏng đơn vị tại mũi cọc của lớp đất thứ i kN/m2 rei Bán kính lệch tâm m R Lực cản của nền đất tác dụng lên cọc kN r Hệ số ngẫu nhiên chọn trong khoảng -
ix Rt Lực cản mũi cọc kN Sức kháng động mũi cọc lớn nhất trong mỗi chu kỳ gia tải của lớp đất R max ti kN thứ i Sức kháng động thành cọc lớn nhất trong mỗi chu kỳ gia tải của lớp đất R simax kN thứ i R t_tinh_i Sức kháng tĩnh mũi cọc của lớp đất cát thứ i kN R s_tinh_i Sức kháng tĩnh thành cọc của lớp đất cát thứ i kN Rs Lực cản thành cọc kN rei Bán kính lệch tâm của bánh lệch tâm thứ i m Rf Hệ số sức kháng (fs/qc*100) thu được từ kết quả thí nghiệm CPT % Rtk Lực cản động mũi cọc của lớp đất thứ k kN Rsz Lực cản động thành cọc tại chiều sâu z kN Rsz(k) Lực cản thành động của lớp đất thứ k kN S Độ cứng hệ lò xo kN.m/s So Biên độ dao động của hệ “búa rung - cọc” m So  Biên độ giới hạn nhỏ nhất của cọc để hạ được cọc vào nền đất m Su Cường độ kháng cắt không thoát nước trung bình của đất kN/m2 t Thời gian tính s Thời gian để sóng dao động đi từ đầu cọc đến mũi cọc và phản hồi trở tn s lại đầu cọc T Chu kỳ lực rung động s Tc Thời gian mũi cọc tiếp xúc với đất trong một chu kỳ s Ti Thời gian của chu kỳ thứ i s v Vận tốc dịch chuyển của cọc m/s vc Vận tốc hạ cọc trung bình m/s vtb(Ti): Vận tốc hạ cọc trung bình của chu kỳ thứ i m/s Vi Điện áp thu được từ cụm đầu đo tại mặt cắt i V Vc Điện áp thu được từ đầu đo gia tốc AR-2F V Vkh Điện áp thu được từ đầu đo gia tốc AR-1F V Xbd Hệ số thiết lập chế độ đo của thiết bị - XAR-2F Hệ số hiệu chuẩn của đầu đo AR-2F - XAR-1F Hệ số hiệu chuẩn của đầu đo AR-1F - X Số xung mà đầu đo độ dịch chuyển của cọc đếm được lần Y Số xung mà đầu đo trục gây rung đếm được trong một giây lần/s
x z Chiều sâu dịch chuyển của đầu cọc vào đất m z1 Dịch chuyển của khung treo búa rung m z2 Dịch chuyển của thân búa và cọc ván thép m ztb(Ti) Độ dịch chuyển trung bình của cọc trong chu kỳ Ti m zmax Chiều sâu hạ cọc cho trước m z2 Vận tốc dịch chuyển của cọc m/s W Tổng năng lượng chi phí để dẫn động búa rung kW Wt Công suất đơn vị lý thuyết của búa rung kN.m/s WTi Chi phí năng lượng dẫn động búa trong chu kỳ thứ Ti kW , i Tỷ suất gia tốc, =a/g; i=ai/g - lg Hệ số điều chỉnh phạm vi lai ghép - tn Hệ số thực nghiệm - ac Sai số thực nghiệm của gia tốc cọc ván thép - akh Sai số thực nghiệm của gia tốc khung treo búa rung -  AR-1F Sai số của các đầu đo gia tốc AR-1F - AR-2F Sai số của các đầu đo gia tốc AR-2F - TDS-302 Sai số của thiết bị đo TDS-302 - ladientro Sai số của các cụm đầu đo biến dạng - SDA380C Sai số của thiết bị đo SDA380C - W Lượng năng lượng tổn thất trong một chu kỳ kW/CK  Vận tốc góc của trục lệch tâm rad/s i Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt i kN/m2 6k Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt 6-6 với lớp đất thứ k kN/m2 1z Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt 1-1 tại chiều sâu z kN/m2 1z(k) Ứng suất trong cọc ván thép tại mặt cắt 1-1 tại chiều sâu z(k) kN/m2  Hệ số điều chỉnh phạm vi lai ghép -  Khối lượng thể tích tự nhiên của đất kg/m3  Góc ma sát trong độ t Hệ số thực nghiệm - d Sức kháng cắt động đơn vị tại thành cọc kN/m2 l Sức kháng hóa lỏng của đất dọc thành cọc kN/m2 s Sức kháng tĩnh của đất dọc thành cọc kN/m2 di Sức kháng động thành cọc đơn vị của lớp đất thứ i kN/m2
xi si Sức kháng tĩnh đơn vị thành cọc của lớp đất thứ i kN/m2 li Sức kháng hóa lỏng đơn vị tại thành cọc của lớp đất thứ i kN/m2 max Ứng suất cắt lớn nhất tương ứng với biến dạng lớn nhất của đất kN/m2  Chu vi mặt cắt cọc ván thép m  Hệ số hóa lỏng thực nghiệm -  Hệ số chảy lỏng thực nghiệm -  Hệ số hiệu quả sử dụng búa - o Hệ số thực nghiệm, với cọc ván thép -  Hiệu suất truyền động của hệ dẫn động bộ gây rung - ck Hiệu suất truyền động cơ khí hệ dẫn động bộ gây rung - tl Hiệu suất truyền động thủy lực hệ dẫn động bộ gây rung - i Biến dạng tương đối tại mặt cắt i - [σ] Véc tơ ứng suất - [D] Ma trận độ cứng - [ε] Véc tơ biến dạng -
xii DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Danh mục các hình vẽ Trang Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo búa rung ........................................................................................ 5 Hình 1.2. Búa rung dẫn động thủy lực tích hợp trên máy đào một gầu .............................. 6 Hình 1.3. Búa rung lắp trên máy cơ sở có sử dụng giá dẫn hướng (kiểu treo cứng) .......... 7 Hình 1.4. Búa rung lắp trên cần trục cơ sở (kiểu treo tự do) ............................................... 7 Hình 1.5. Cọc ván thép dạng tấm ........................................................................................ 7 Hình 1.6. Cọc ván thép dạng chữ U .................................................................................... 7 Hình 1.7. Mặt cắt cọc ván thép NSP-IIw.............................................................................. 8 Hình 1.8. Cấu trúc địa chất điển hình của Hà Nội, [26] ...................................................... 9 Hình 1.9. Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của thành phố Huế [16] ..................... 10 Hình 1.10. Một số dạng cấu trúc địa chất điển hình của TP. Hồ Chí Minh ........................ 9 Hình 1.11. Mô hình truyền sóng Gardner (1987) .............................................................. 18 Hình 1.12. Tổng thể quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung ......................................... 24 Hình 1.13. Cơ chế hoạt động của hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” ............ 25 Hình 1.14. Quan hệ ứng suất-biến dạng của đất dạng hyperbolic khi chịu tải lặp............ 26 Hình 1.15. Dịch chuyển tương đối giữa các hạt theo mức biến dạng cắt [40] .................. 28 Hình 1.16. Sơ đồ phân vùng ứng xử của đất xung quanh cọc ván thép khi hạ bằng lực rung động, Denies (2010) .................................................................................................. 28 Hình 1.17. Sơ đồ mô tả dịch chuyển của cọc ván thép (a), lực cản động thành cọc (b) và lực cản động mũi cọc (c). .................................................................................................. 30 Hình 1.18. Sự thay đổi sức kháng thành cọc (a) và sức kháng mũi cọc (b) theo chuyển vị của cọc ............................................................................................................................... 32 Hình 1.19. Miền khả chấp của các thông số thiết kế ......................................................... 34 Hình 1.20. Cực trị tuyệt đối và cực trị ............................................................................... 35 Hình 1.21. Minh họa nguyên lý chung của phương pháp hướng đến cực trị .................... 37 Hình 1.22. Ảnh hưởng của điểm xuất phát đến tính cục bộ hay tuyệt đối của nghiệm đối với bài toán tối ưu không lồi ............................................................................................. 38 Hình 1.23. Phương pháp Gauss - Seidel ............................................................................ 38 Hình 1.24 Phương pháp gradient ...................................................................................... 38 Hình 2.1. Bánh lệch tâm .................................................................................................... 43 Hình 2.2. Sơ đồ tính lực rung động của cơ cấu gây rung có hướng .................................. 43 Hình 2.3. Quy luật thay đổi của lực rung động và dạng chuyển vị của hệ........................ 43
xiii Hình 2.4. Mô hình truyền song ứng suất trong cọc ván thép ............................................ 44 Hình 2.5. Mô hình tính toán lý thuyết hệ “Búa rung - Cọc ván thép - Đất nhiều lớp” ..... 52 Hình 2.6. Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên các phần tử của mô hình tính ........................ 53 Hình 2.7. Sơ đồ khối chương trình tính bài toán hạ cọc ván thép bằng búa rung ............. 55 Hình 2.8. Sơ đồ chương trình con tính các thông số động lực học của hệ ........................ 55 Hình 2.9. Sơ đồ chương trình con tính lực cản động của các lớp đất lên cọc ván thép .... 56 Hình 2.10. Cấu tạo búa rung VH-QTUTC70 .................................................................... 57 Hình 2.11. Hình trụ hố khoan LKT2 ................................................................................. 58 Hình 2.12. Hình trụ hố khoan LKT3 ................................................................................. 58 Hình 2.13. Biểu đồ thành phần hạt của các loại cát .......................................................... 61 Hình 2.14. Độ dịch chuyển thực của cọc (trụ T2, f=30Hz) ............................................... 62 Hình 2.15. Gia tốc của cọc (trụ T2, f=30Hz) .................................................................... 63 Hình 2.16. Gia tốc rung của khung treo (trụ T2, f=30Hz) ................................................ 63 Hình 2.17. Vận tốc rung của cọc (trụ T2, f=30Hz) ........................................................... 63 Hình 2.18. Vận tốc rung của khung treo (trụ T2, f=30Hz)................................................ 63 Hình 2.19. Chuyển vị của cọc (trụ T2, f=30Hz)................................................................ 64 Hình 2.20. Chuyển vị của khung treo (trụ T2, f=30Hz) .................................................... 64 Hình 2.21. Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) ....................................................... 64 Hình 2.22. Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) ........................................................ 65 Hình 2.23. Độ dịch chuyển của cọc (trụ T3, f=30Hz) ....................................................... 65 Hình 2.24. Gia tốc rung của cọc (trụ T3, f=30Hz) ............................................................ 66 Hình 2.25. Gia tốc rung của khung treo (trụ T3, f=30Hz) ................................................ 66 Hình 2.26. Vận tốc rung của cọc (trụ T3, f=30Hz) ........................................................... 66 Hình 2.27. Vận tốc rung của khung treo (trụ T3, f=30Hz)................................................ 66 Hình 2.28. Chuyển vị của cọc (trụ T3, f=30Hz)................................................................ 67 Hình 2.29. Chuyển vị của khung treo (trụ T3, f=30Hz) .................................................... 67 Hình 2.30. Lực cản động thành cọc (trụ T3, f=30Hz) ....................................................... 67 Hình 2.31. Lực cản động mũi cọc (trụ T3, f =30Hz) ........................................................ 67 Hình 3.1. Sơ đồ khối mô tả thuật toán di truyền ............................................................... 76 Hình 3.2. Sơ đồ thuật toán ứng dụng thuật toán di truyền để giải bài toán xác định các thông số hợp lý của búa rung hạ cọc ván thép vào nền đất nhiều lớp ............................... 77
xiv Hình 3.3. Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm các thông số hợp lý của búa rung với lớp đất cát hạt nhỏ màu xám đen, chặt vừa (trụ T2) ...................................................................... 85 Hình 3.4. Đồ thị thể hiện quá trình tìm kiếm các thông số hợp lý của búa rung với sét pha màu xám nâu, trạng thái nửa cứng (trụ T2) ....................................................................... 86 Hình 3.5. Dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) .................................................... 87 Hình 3.6. Gia tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ........................................ 87 Hình 3.7. Gia tốc dịch chuyển của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) ............................ 88 Hình 3.8. Vận tốc dịch chuyển của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ....................................... 88 Hình 3.9. Vận tốc của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) ................................................ 89 Hình 3.10. Chuyển vị của cọc (khi f=30, 32 và 35Hz)...................................................... 89 Hình 3.11. Chuyển vị của khung treo (khi f=30, 32 và 35Hz) .......................................... 90 Hình 3.12. Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ............................................. 90 Hình 3.13. Lực cản động thành cọc (khi f=30, 32 và 35Hz) ............................................. 91 Hình 4.1. Đặc tính làm việc của cần trục Liebherr HS833HD .......................................... 94 Hình 4.2. Đặc tính sức nâng tầm với của cần trục Liebherr HS833HD ............................ 94 Hình 4.3. Sơ đồ các thông số cần xác định trong quá trình thực nghiệm.......................... 95 Hình 4.4. Cấu tạo tổng thể hệ búa rung lắp trên cần trục cơ sở ........................................ 96 Hình 4.5. Sơ đồ mô tả quá trình tương tác giữa cọc ván thép và đất dưới tác dụng của lực động do búa rung tạo ra ..................................................................................................... 97 Hình 4.6. Mô hình thực nghiệm quá trình hạ cọc ván thép bằng búa rung vào nền đất nhiều lớp ............................................................................................................................ 98 Hình 4.7. Sơ đồ đấu lá điện trở (sơ đồ cầu đấu ½) ............................................................ 99 Hình 4.8. Sơ đồ bố trí đầu đo độ dịch chuyển của cọc .................................................... 100 Hình 4.9. Cọc thí nghiệm ................................................................................................ 100 Hình 4.10. Cấu tạo bộ phân gây rung của búa rung VH-QTUTC70 ............................... 100 Hình 4.11. Thiết bị đo số vòng quay trục gây rung DT-5TRX-RMTR .......................... 101 Hình 4.12. Sơ đồ bố trí thiết bị đo gia tốc ....................................................................... 101 Hình 4.13. Cấu tạo lá điện trở ......................................................................................... 102 Hình 4.14. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SDA830C ........................................................ 102 Hình 4.15. Đầu đo độ dịch chuyển của cọc ..................................................................... 103 Hình 4.16. Cụm đầu đo - pu ly ........................................................................................ 103 Hình 4.17. Đầu đo gia tốc AR-2F lắp trên cọc ván thép thử nghiệm .............................. 103
xv Hình 4.18. Thiết bị đo gia tốc TDS-302 .......................................................................... 103 Hình 4.19. Sơ đồ cấu tạo cọc ván thép thử nghiệm ......................................................... 104 Hình 4.20. Phủ keo bảo vệ các lá điện trở sau khi dán vào cọc ván thép ....................... 104 Hình 4.21. Hàn tấm ốp bảo vệ đầu đo và dây tín hiệu .................................................... 104 Hình 4.22. Sơ đồ tổng thể quá trình thực nghiệm tại công trường .................................. 106 Hình 4.23. Sơ đồ đấu nối đầu đo và thiết bị đo ............................................................... 106 Hình 4.24. Hệ thống dây dẫn tín hiệu sau khi được kết nối với thiết bị đo SDA830C ... 107 Hình 4.25. Sơ đồ đấu nối thiết bị đo biến dạng SDA380C ............................................. 107 Hình 4.26. Đầu đo gia tốc cọc ván thép .......................................................................... 108 Hình 4.27. Đầu đo gia tốc khung treo búa rung .............................................................. 108 Hình 4.28. Sơ đồ đấu nối thiết bị TDS-302 ..................................................................... 108 Hình 4.29. Lắp đầu đo số vòng quay trên trục 1 của búa rung........................................ 108 Hình 4.30. Bộ đầu đo HE40B-6-1024-3-T-24 được gắn trên trục pulley đo độ dịch chuyển .............................................................................................................................. 109 Hình 4.31. Sơ đồ bố trí các mặt cắt đo biến dạng trên cọc ván thép thử nghiệm............ 112 Hình 4.32. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 1, trụ T2) ....................... 117 Hình 4.33. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 2, trụ T2) ....................... 117 Hình 4.34. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 3, trụ T2) ....................... 117 Hình 4.35. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 4, trụ T3) ....................... 117 Hình 4.36. Tốc độ hạ cọc ván thép theo chiều sâu hạ cọc (lần 5, trụ T3) ....................... 117 Hình 4.37. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 117 Hình 4.38. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,970 đến 11,989m (lần 1, f=15 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118 Hình 4.39. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=20 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118 Hình 4.40. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=25 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118 Hình 4.41. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,820 đến 11,850m (lần 1, f=25 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118 Hình 4.42. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=30 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118
xvi Hình 4.43. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiều sâu hạ cọc z =11,870 đến 11,900m (lần 1, f=30 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118 Hình 4.44. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiêu sâu hạ cọc z =250 đến 280 mm (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) ............................................................................................................... 118 Hình 4.45. Dịch chuyển của cọc ván thép tại chiêu sâu hạ cọc z =10,980 đến 10,990m (lần 1, f=35 Hz, trụ T2) ................................................................................................... 118 Hình 4.46. Quan hệ giữa tốc độ hạ cọc và lực kích thích với tần số của búa rung ......... 120 Hình 4.47. Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=15 Hz, trụ T2) ............................... 125 Hình 4.48. Lực cản động mũi từ 1 đến 2s ....................................................................... 125 (f=15 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125 Hình 4.49. Lực động cản mũi từ 129 đến 130s ............................................................... 125 (f=15 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125 Hình 4.50. Lực cản động thành cọc theo thời gian (f=15 Hz, trụ T2) ............................. 125 Hình 4.51. Lực cản động thành cọc từ 129 đến 130s (f=15 Hz, trụ T2) ......................... 125 Hình 4.52. Lực cản động mũi cọc theo thời gian (f=35 Hz, trụ T2) ............................... 125 Hình 4.53. Lực cản động mũi từ 1 đến 2s ....................................................................... 125 (f=35 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125 Hình 4.54. Lực cản động mũi từ 80 đến 81s ................................................................... 125 (f=35 Hz, trụ T2) ............................................................................................................. 125 Hình 4.55. Lực cản động thành cọc theo thời gian (f=35 Hz, trụ T2) ............................. 125 Hình 4.56. Lực cản động thành cọc từ 1 đến 2s (f=35 Hz, trụ T2) ................................. 125 Hình 4.57. Lực cản động thành cọc từ 80 đến 81s (f=35 Hz, trụ T2) ............................. 125 Hình 4.58. Dịch chuyển của cọc theo thời gian (trụ T2, f=30Hz) ................................... 129 Hình 4.59. Gia tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) ................................................... 130 Hình 4.60. Gia tốc dao động của khung treo (trụ T2, f=30Hz) ....................................... 130 Hình 4.61. Vận tốc dao động của cọc (trụ T2, f=30Hz) .................................................. 130 Hình 4.62. Vận tốc dao động của khung treo (trụ T2, f=30Hz) ...................................... 131 Hình 4.63. Chuyển vị của cọc (trụ T2, f=30Hz).............................................................. 131 Hình 4.64. Chuyển vị của khung treo (trụ T2, f=30Hz) .................................................. 131 Hình 4.65. Lực cản động thành cọc (trụ T2, f=30Hz) ..................................................... 132 Hình 4.66 Lực cản động mũi cọc (trụ T2, f=30Hz) ....................................................... 132
xvii DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN Danh mục các bảng Trang Bảng 1.1. Phân loại búa rung theo tần số và mô men lệch tâm........................................... 6 Bảng 1.2. Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước về quá trình hạ cọc bằng búa rung đã công bố. ......................................................... Error! Bookmark not defined. Bảng 1.3. Bảng tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước về quá trình hạ cọc bằng búa rung theo phương pháp tích phân. .............................. Error! Bookmark not defined. Bảng 2.1. Giá trị biên độ rung của hệ “búa rung - cọc” theo Rodger và Littlejohn (1980) ........................................................................................................................................... 44 Bảng 2.2. Các thông số đầu vào của búa rung VH-QTUTC70 ......................................... 57 Bảng 2.3. Các thông số đầu vào của cọc ván thép NSP-IIw .............................................. 58 Bảng 2.4. Loại đất tại trụ T2 và T3 cầu Đồng Quang ....................................................... 61 Bảng 2.5. Giá trị các hệ số thực nghiệm đưa vào tính toán ............................................... 62 Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của búa rung .................................................................. 70 Bảng 3.2. Các tùy chọn để thực hiện quá trình tính trong thuật toán di truyền ................ 81 Bảng 3.3. Thông số đầu vào để xác định các thông số hợp lý của búa rung VH-QTUTC70 ........................................................................................................................................... 84 Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung ....................................................... 84 Bảng 3.5. Kết quả tần số rung (f) và khối lượng khung treo (m1) hợp lý của búa rung.... 92 Bảng 4. 1. Thông số chính của cần trục Liebherr HS833HD [51] .................................... 94 Bảng 4.2. Kết quả thô đo biến dạng (ứng suất) tại các mặt cắt trên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) ........................................................................................................ 112 Bảng 4.3. Kết quả ứng suất tại các mặt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép(lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) .................................................................................................. 113 Bảng 4.4. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) ....................................................................................... 113 Bảng 4.5. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) ....................................................................................... 113 Bảng 4.6. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) ....................................................................................... 113 Bảng 4.7. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt và tổng lực cản của nền đất lên cọc ván thép (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) ....................................................................................... 113
xviii Bảng 4.8. Kết quả thô đo gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f=15 Hz) ......................................................................................................................................... 114 Bảng 4.9. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) .. 114 Bảng 4.10. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) 114 Bảng 4.11. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) 114 Bảng 4.12. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) ....... 114 Bảng 4.13. Kết quả gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) 115 Bảng 4.14. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 15 Hz) .......... 115 Bảng 4.15. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 20 Hz) .......... 115 Bảng 4.16. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 25 Hz) .......... 115 Bảng 4.17. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 30 Hz) .......... 115 Bảng 4.18. Kết quả đo độ dịch chuyển của cọc (lần 1, trụ T2, tần số f = 35 Hz) .......... 115 Bảng 4.19. Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua các lớp đất tại trụ T2 ........................................ 116 Bảng 4.20. Tổng hợp tốc độ hạ cọc qua các lớp đất tại trụ T3 ........................................ 116 Bảng 4.21. Tổng hợp vận tốc hạ cọc thực nghiệm theo tần số lực rung động và lớp đất 119 Bảng 4.22. Tổng hợp các thông số động lực học của hệ theo tần số lực rung động ....... 124 Bảng 4.23. Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số của các loại đất tại trụ T2 ....................................................................................................... 128 Bảng 4.24. Bảng tổng hợp hệ số hóa lỏng và hệ số chảy lỏng trung bình theo tần số của các loại đất tại trụ T3 ....................................................................................................... 128 Bảng 4.25. Sai số giữa độ dịch chuyển lý thuyết và thực nghiệm .................................. 133 Bảng 4.26. Sai số giữa gia tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm ................................ 133 Bảng 4.27. Sai số giữa vận tốc dao động lý thuyết và thực nghiệm ............................... 133 Bảng 4.28. Sai số giữa chuyển vị lý thuyết và thực nghiệm ........................................... 133 Bảng 4.29. Sai số giữa lực cán động thành cọc lý thuyết và thực nghiệm ...................... 134 Bảng 4.30. Sai số giữa lực cản động mũi cọc lý thuyết và thực nghiệm ........................ 134